磁记录与磁头材料简述

1、磁记录与磁头材料简述摘要：简述了磁记录材料的发展、磁记录原理以及磁记录的过程，包括磁头材料的基本要求及其数字式记录方式；对几种具有代表性的磁头材料做了介绍，并对磁头材料的发展做了展望。关键词：磁记录;原理;磁头材料;种类The review of Magnetic recording and materials of Magnetic HeadAbstract: The development history, principle and process of materials of magnetic recording were summmarized, including the bas

2、ic enquirements and recording mode of mat erials of Magnetic Head . The represental of the materials of Magnetic Head was discribled and the development of materials of Magnetic Head was discussed. Key words: magnetic recording; principle; materials of Magnetic Head;discription 引 言当今世界已经进入了信息化时代。信息量

3、的爆炸式增长对信息存储技术提出了越来越高的要求。信息存储作为处理信息必不可少的环节，已渗透到国民经济的诸多环节。一直以来电子存储产品都占据着电子类产品最大的市场份额。对高存储容量，高数据存取速度，高性能价格比存储设备不断增长的需求进一步推进了存储记录技术的发展，传统存储记录技术的性能越来越高，新型存储记录技术不断涌现。在所有的信息存储方式中，磁存储因其具有优异的记录性能、应用灵活、价格便宜，而且在技术上仍具有相当大的发展潜力，所以仍被作为当代信息存储的一项主要技术1。1 磁记录材料的发展磁记录技术的起源可以追溯到1857年使用钢带的录音机雏形。1898年，丹麦人Valdemar Poulson

4、使用直径为1 mm的碳钢丝制作了世界上第一台可供实用的磁录音机。1928年，德国人Fritz Pfleumer与AEG（伊莱克斯）合作制作了第一台磁带录音机，被称为是磁带录音机的鼻祖，从此磁带录音机进入实用化。1947年，-Fe2O3的发明标志着磁带记录技术与当代的接轨。磁记录当初只用于录音，但从上世纪五十年代后半期一来也广泛地应用于磁带录像机、计算机的存储系统（磁滞装置、磁盘装置）等，同时记录密度也迅速地增大。近几年来，对磁记录材料的性能要求越来越高2。2 磁记录过程与原理2.1 磁记录过程所谓磁记录就是以磁记录介质受外磁场磁化，去掉外磁场后仍能长期保持其剩余磁化状态的基本性质为基础。磁带或

5、磁盘记录信号是永久性的，同时也是可以更改的。在磁性介质表面按照信号要求形成微小永磁体，每个微小永磁体有一个磁化方向，最初的钢丝磁记录，其微小磁体的磁化方向垂直于钢丝表面，可以说是最早的磁记录，但由于钢丝很难保持较强的剩磁，因此记录效果并不理想。传统的磁存储采用水平（即纵向）记录方式。纵向记录，如其名称所示，即数据位为水平排列（数据位与磁盘表面平行）。这种记录模式的使用和演化持续了50年。然而水平式磁性记录储存密度的成长，到了21世纪初期，就遇到了物理极限-超顺磁效应，使得记录密度成长降至每年50%60%，甚至完全延缓下来。与这种记录模式相反，垂直磁记录的数据位则为垂直排列（数据位与磁盘垂直）。

6、垂直记录模式可以很容易克服超顺磁效应，获得更多的磁盘空间来存储更多的数据，从而可以实现更高的磁记录密度。因此，垂直磁记录模式近年一直受到广泛关注3-5。2.2 磁记录原理在记录信息(声音、图像、数字)过程中，输入的信息先转变为相应的电信号，传送到记录磁头的线圈中，在记录磁头气隙中产生与输入电信号相应的变化磁场，气隙附近并以恒定速度移动的磁带上的磁记录介质受到该变化磁场的作用，从原来未存储信息的退磁状态转变到磁化状态，也就是将随时间变化的磁场转变为按空间变化的磁化强度分布，磁带通过磁头以后转变到相应的剩磁状态，剩磁状态便记录下与气隙磁场、磁头电流和输入电信号相应的信息。在磁带重放过程中，与上述磁

7、记录过程相反，即磁带剩磁影响磁头气隙磁场，再到磁头线圈中的电流，最后变成与原来记录相应的(声音、图像和数字)信息。3 磁头及磁头材料3.1 磁头材料的基本要求磁头是磁记录装置中实现电磁能量转换的关键部件。磁头的主要工作原理大都采用。电磁感应式，具有带缝隙的环形铁芯上绕线圈的基本形式，铁芯材料必须是具有高磁导率的软磁材料。 （1）磁头材料应具有尽可能高的饱和磁感应强度Br、高的磁导率、尽量低的矫顽力Hc和剩磁Br,特别是在高频范围内； （2）磁头应具有较高的工作效率，自身的能量消耗（包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗）要小，例如，高磁导率的磁头材料可以降低涡流损耗； （3）磁头应具有较高的表面硬度

8、、良好的耐磨性，以保证其使用寿命； （4）磁头工作性能应当稳定，不因温度、应力、腐蚀和外界干扰而发生性能的明显变化； （5）磁头应具有良好的加工特性，适合于大批量、机械化生产，制造成本低。目前用于制造磁头的磁头材料很多，课分为金属或合金磁头，铁氧体磁头、非晶态合金磁头、磁阻磁头等6。3.2 磁头材料的数字式记录方式 水平（纵向）记录目前，商用的硬盘磁记录方式绝大部分仍然为纵向记录方式，即采用磁场的磁化方向与盘片表面平行的方式。纵向记录是薄膜沿膜面方向表现出较高的剩余磁化。目前采用的主要是钴合金一类的金属高磁化材料。在纵向记录中，记录密度的提高，主要受两个面的制约：一是数据存取速率依赖于记录位中

9、的磁化方向的转换速度；二是随着记录密度的不断提高，记录位的线度也逐步趋进于超顺磁极限。存储面密度的提高，就意味着代表每个H=> 的磁记录位和组成它的磁粒的体积要相应减小，其所具有的能量自然随之下降，发展到一定程度之后，只需要很小的能量，比如室温下的热扰动就可以将磁粒翻转，磁记录位保存的数据就会被破坏，就无法再正确地读出，这就是所谓的“超顺磁性”效应。这就出现了面密度在1997年磁头应用后，年增长率从60%增大到100%，然而到了20002001年前后，面记录密度年增长率却突然降到了30%当膜薄到一定程度就会出现锯齿形畴壁，使得相位之间的过渡区加宽，噪声随之增大7。此外，随着记录密度的不断

10、提高，纵向记录介质中由退磁场引起的热噪声会越来越大。2001年AFC（反铁磁性耦合)介质步入了实用化阶段，这种方式在一定程度上解决了超顺磁效应的问题，但在硬盘的容量超过100Gb/in2的时候仍然遭遇了瓶颈。理论上纵向磁记录的极限是120Gb/in2，而目前已经达到了110Gb/in2，已经趋近于理论上的超顺磁极限，发展空间已十分狭小。而垂直磁记录，记录密度越高其退磁场反而越小，介质噪声也会相应减小因此，当传统的纵向磁记录方式受到越来越多问题困扰的时候，人们又在加紧进行具有很大发展潜力的垂直磁记录介质的研究。 垂直记录从1975 年日本东北大学的岩崎俊一教授提出垂直记录技术以来,已经经历了近3

11、0 年的发展。尽管由于种种原因,该技术至今未能获得商业应用,但它一直被认为是一项具有发展潜力的高密度记录技术。特别由于近年来记录密度的不断提高,记录位单元的尺寸越来越小,磁记录材料所面临的热稳定性或超顺磁极限问题越来越突出。与传统的纵向记录技术相比,垂直磁记录技术在克服这些问题方面具有明显的优势,所以近来更加引起人们的重视。垂直记录与纵向记录之间具有互补的关系。根据电磁理论,在纵向记录介质中,记录密度越高,记录波长越短,而相邻位之间的退磁场Hd 随着波长的缩短而逐渐增强。退磁场将使磁化过渡区之上的磁化强度减小,从而导致输出信号幅度的降低。相反, 在垂直记录介质中,退磁场是随着记录波长的缩短而逐

12、渐减弱的,而且退磁场有助于提高磁化过渡区相邻记录位的磁化强度。因此,与纵向记录的情况不同,在垂直记录的情况下,可以采用比较厚的介质厚度,适中的介质矫顽力Hc ,较高的介质饱和磁化强度Ms,获得较高的记录密度。此外,在纵向记录中,过渡区相邻位之间相互排斥,在高密度条件下,将使记录信号出现致命的热衰减, 而垂直记录介质中相邻位之间相互吸引,磁化稳定性非常高8。为了提高磁记录介质的热稳定性, 介质中的磁性颗粒应该具有足够大的各向异性和有效体积。对于垂直记录介质而言,由于介质膜可以相对较厚,所以在记录密度很高,也就是柱状晶粒的直径很小的情况下,仍然可以具有较大的颗粒体积,从而使记录位单元具有良好的热稳

13、定性。但是,研究表明,尽管垂直记录较之纵向记录具有这些优势,但采用传统的方法也很难获得200Gb/in2以上的记录密度。当面记录密度进一步提高时,垂直记录同样面临热稳定性的问题。由于介质的各向异性常数的提高受到磁头场强的制约,进一步减小介质中颗粒的尺寸同样会使热稳定性因子降低, 产生记录信息的热衰减问题9。3.3 磁头材料的种类 合金磁头材料 含钼坡莫合金(4wt%Mo-17%Fe-Ni)磁芯材料：饱和磁化强度比铁氧体磁心材料高出很多，因而具有很好的写入特性。但耐磨性差，不能用于VTR等录像带运动速度很高的场合。电阻率较低，即使在中频下，由涡流造成的磁导率下降也十分显著，因此通常采用薄膜层叠结

14、构。坡莫合金系磁心用薄膜现在主要用电镀、溅射镀膜等方法制作。 仙台斯特合金(Fe-9.6%Si-5.4%Al系)磁芯材料：导磁率与高镍的Fe-Ni合金相当，Hv达500，饱和磁感应强度约1T。该合金制备的磁头具有高的耐磨性和优良的高频特性。是四磁头录像技术中普遍应用的磁头材料。缺点是对合金成分的变化非常敏感，又硬又脆，难加工，使磁头价格昂贵10。3.3.2 铁氧体磁头材料 以Mn-Zn和Ni-Zn铁氧体为主，电阻率比大部分金属磁性材料至少要高3个数量级，因此损耗较低，可用在高频领域。硬度Hv达600700，耐磨性高，主要用于制作录像机、数字磁带机、磁盘机和磁鼓的磁头铁心。铁氧体为氧化物绝缘体，

15、电阻率高、耐磨损、耐环境性优良、但与其他合金系相比，其饱和磁感应强度低，因此在提高记录密度方面有困难。目前应用最多最普遍的是多晶热压铁氧体，其最大缺点是磁头缝隙附近容易产生剥落，从而导致磁记录质量的下降。采用单晶和取向铁氧体抗剥落性得到显著改善，但增加了磁头制造工艺的难度10-11。3.3.3 非晶态磁头材料非晶态磁头材料最大的特点是晶体磁各向异性为零，由于不存在晶界及晶格缺陷引起的内应力，因此矫顽力很低。薄膜化可使涡流损耗变得很小，明显改善高频特性。 已开发出耐磨性、耐腐蚀性均优良的实用型非晶态磁头材料，如Co-Nb-Zr（金属-金属系）、Co-Fe-Si（金属-非金属系）。它们的磁学特性与

16、其它材料相比，具有较高的磁导率、高的磁通密度。 微晶薄膜磁头材料 典型的体系为Fe-M(Nb,Ta,Zr,Hf,Ti,V等)-X(N,C,B)，由溅射沉积法形成非晶态膜，而后加热形成微晶，通过晶粒微细化，达到磁致伸缩。通过添加X，来抑制晶粒生长，与上述M元素一起实现热稳定性，从而获得更大的饱和磁化强度，用其制作的磁头要比非晶材料更适合高矫顽力磁性介质的高密度特性。3.3.5 多层膜磁头材料将超薄膜周期性积层获得。以Fe-C/Ni-Fe多层膜为例，由于多层膜效应抑制了柱状晶生长（抑制了磁各向异性），微晶化实现了低磁致伸缩。Bs高达2T，Hc也很低，但耐热性差，在500热处理后晶粒长大，软磁性能变

17、坏。这类软磁材料在磁记录方面的重要应用有：（1）Fe-C/Ni-Fe系：主要用于垂直磁记录磁头（2）Fe-Al-N/Si-N系：主要用于垂直记录磁头（3）Fe-Nb-Zr/Fe-Nb-Zr-N系：主要用于硬盘磁头（4）Co-Nb-Zr/ Co-Nb-Zr-N系：主要用于广播用数字式VTR 磁电阻磁头材料在磁信息高新技术发展中,磁阻材料材料是这方面的一种具有重要磁存储和磁开关等功能的材料。它包含磁多层膜、磁颗粒膜、磁氧化膜和磁隧穿结等多种形态和功能的磁性材料。由于磁随机存取存储器、计算机读出磁头和高灵敏度微型磁传感器等的需要, 促进了具有室温高磁电阻率、低电阻和低自由层偏转场的磁隧穿结巨磁电阻材

18、料的研究。最近利用光刻和聚焦离子束刻蚀技术研制成磁隧穿结巨磁电阻多层膜材料。因坡莫合金(Ni90Fe10)的磁各向异性小，磁电阻系数大，因此仍是沿用至今的MR磁头材料。4 结束语目前, 巨磁电阻磁头已能很好地满足30Gb/in2的要求,信息的记录和存储是发展的瓶颈。传统的硬磁盘记录方式在信息存储方面也受到超顺磁性的限制, 而磁光记录也受到记录光斑衍射极限的限制, 记录密度还低于硬磁盘记录12。新近提出的光辅助式磁记录结合了两者的优点,使记录尺寸大幅度减小;同时,垂直磁化模式和非晶结构薄膜的使用保证了记录介质的稳定性,具有很大的发展潜力,也是最有希望实现超高密记录的技术。对于超过100 Gb/in2极高面记录密度, 需要采用全新的记录技术。量子磁盘技术就是这样一个充满挑战的新技术。采用电子束平板印刷工艺,制造出直径10nm,间距也为10 nm的磁柱,信息记录在磁柱上, 磁矩向上和向下分别表示“1”和“0”。这样,记录位间的磁关联明显减小,自退磁现象随之大幅度降低;相邻位的干扰噪声明显改善;甚至可实现单个Vs 颗粒的记录。定性实验的结果表明,记录密度可达1000 Gb/in2以上。目前,实验室已能实现7.2 Gb/in2面记录密度。量子磁盘技术是未来提高记录密度的方向13。参考文献：1 李国栋. 20032004年磁记录材料研究新进展J.信息记录材料,2005,(02)2 金延.